Analysis of Human Aortas through Computational Fluid Dynamics and Fluid-Structure Interaction
Author(s)
Moretti, Simona
Date Issued
July 17, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Abnormal hemodynamics in the human aorta can lead to serious cardiovascular disease
until death. While in-vivo measurements are invasive and relatively inaccurate,
mathematical and computational models can provide a valuable tool for investigating the
kinematics and dynamics of blood flow, and the structural response of blood vessels in
cardiovascular diseases. The computational approach together with refined patient-specific
geometric aorta models can be useful to acquire information about the outcome of the
disease and guide possible surgical treatment. Specifically, this thesis focuses on two
different computational approaches: (i) computational fluid dynamics, and (ii) fluidstructure
interaction that combines computational fluid dynamics with structural
deformation analysis. Computational fluid dynamics was applied for the in-depth study of
aortic dissection in Chapter 1. Among cardiovascular diseases, aortic dissection can
significantly modify hemodynamics and cause many complications because it generates an
alternative path for blood flow. Thus, in Chapter 1 a healthy aorta model and three aorta
dissection models were reconstructed and the flow patterns in false lumens were compared,
aiming to identifying the most unfavorable condition among aortic dissection types. The
results suggest that our work can be used like a guideline for future analysis of aortic
dissection with computational fluid dynamics and that thrombosed false lumen has a higher
probability of degeneration. Although computational fluid dynamics is a widely validated
and reliable tool, it usually does not account for wall deformation and wall mechanical
properties. Fluid structure interaction is the most comprehensive approach because it
allows the wall regions with a higher stress risk to be mapped, taking into account the
mechanical characteristics of the wall. Among the available options, here a stronglycoupled
partitioned FSI method is proposed. In the field of hemodynamics the density of
the solid and the fluid are comparable. Therefore, it is necessary to use a scheme for the
coupling of the fluid-solid models that considers the inertia of the wall and limits the
pressure exerted. Chapter 2 validates a fluid-structure interaction simulation of an idealized
model of healthy aorta with an ad hoc scheme for coupling the fluid and solid models. The
analysis shows a good agreement with the in-vivo measurements.
L’emodinamica anomala nell'aorta umana può portare a gravi malattie cardiovascolari fino
alla morte. Mentre le misurazioni in-vivo sono invasive e relativamente imprecise, i
modelli matematici e computazionali possono fornire uno strumento prezioso per studiare
la cinematica e la dinamica del flusso sanguigno e la risposta strutturale dei vasi sanguigni
nelle malattie cardiovascolari. L'approccio computazionale insieme a raffinati modelli
geometrici di aorte pazienti-specifici può essere utile per acquisire informazioni sull'esito
della malattia e guidare possibili trattamenti chirurgici. In particolare, questa tesi si
concentra su due diversi approcci computazionali: (i) la fluidodinamica computazionale e
(ii) l’ interazione fluido-struttura che combina la fluidodinamica computazionale con l'analisi della deformazione strutturale. La fluidodinamica computazionale è stata applicata
per lo studio approfondito della dissezione aortica nel Capitolo 1. Tra le malattie
cardiovascolari, la dissezione aortica può modificare significativamente l'emodinamica e
causare molte complicazioni perché genera un percorso alternativo per il flusso sanguigno.
Nel Capitolo 1 sono stati ricostruiti un modello di aorta sana e tre modelli di dissezione
dell'aorta e sono stati confrontati i modelli di flusso nei falsi lumi, con l'obiettivo di
identificare la condizione più sfavorevole tra i tipi di dissezione aortica. I risultati
suggeriscono che il nostro lavoro può essere usato come una linea guida per l'analisi futura
della dissezione aortica con la fluidodinamica computazionale e che il falso lume
trombotico ha una maggiore probabilità di degenerazione. Sebbene la fluidodinamica
computazionale sia uno strumento ampiamente convalidato e affidabile, trascura
completamente i movimenti e le proprietà meccaniche delle pareti. L'interazione fluidostruttura
è l'approccio più completo perché consente di mappare le regioni di parete con un
rischio di stress più elevato, tenendo conto delle caratteristiche meccaniche della parete. Il
metodo prevede la soluzione del modello fluido separatamente dal modello solido
utilizzando un metodo partizionato fortemente accoppiato. Nel campo dell'emodinamica la
densità del solido e del fluido sono comparabili. Pertanto, è necessario utilizzare uno
schema per l'accoppiamento dei modelli fluido-solido che consideri l'inerzia della parete e
limiti la pressione esercitata. Il Capitolo 2 convalida una simulazione di interazione fluidostruttura
di un modello idealizzato di aorta sana con uno schema ad hoc per l'accoppiamento
dei modelli fluido e solido. L'analisi mostra un buon accordo con le misure effettuate in
vivo.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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Size
2.46 MB
Format
Adobe PDF
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